可燃气体探测预警系统

可燃气体探测预警系统（精选4篇）

可燃气体探测预警系统 篇1

0 引言

火灾是一种在时间和空间上失去控制并造成一定损害的燃烧过程。在众多灾种中,火灾造成的直接损失约为地震的5倍,仅次于干旱和洪涝,而火灾发生的频率则居于各种灾种之首[1]。随着社会的不断发展,在社会财富日益增多的同时,导致发生火灾的危险性也在增多, 火灾的危害性也越来越大。据统计我国20世纪70 年代火灾年平均损失不到 2.5 亿元,80 年代火灾年平均损失不到 3.2 亿元,进入90年代特别是1993 年以来,火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元,年均死亡 2000 多人。

正因为火灾给人类带来了巨大的灾难和损失,所以人们在不断地致力于火灾发生的过程机理和探测技术的研究[2,3,4,5],当前的火灾防治研究逐渐从被动的火灾扑救发展到主动的探测预防。人们研究发现,虽然火灾的起因和燃烧过程千差万别,但所有的火灾过程本身都有一定的共性,具有一定的物理特征,这使得人们可以通过各种参量传感器将其从环境中辨别出来。目前对于火灾过程中产生的烟雾、温度以及火焰的测量都分别有成熟的产品,如感温探测器、感烟探测器、火焰探测器等。

这些基于物理特性变化研制的常规火灾探测器虽然有其自身的优越性,但也存在着不少缺点。虽然依靠几种物理参数的组合可以降低探测器的误报率,但却不能实现火灾的超早期报警。研究表明[6],火灾的初期,气体的产生要早于烟雾的出现和温度的升高,因此利用气体作为参量来探测火灾将会大大提高其早期性。

目前能够检测气体的传感器种类有很多,各有其特点,但其选择性、灵敏度、长时间工作能力等在火灾探测方面的使用都不能令人满意。随着现代激光技术以及光学、声学器件的发展,出现了基于光声光谱技术的气体浓度探测方法[7,8,9,10,11],由于它的高灵敏度和高选择性,研究人员已将其引入到了火灾探测领域[12,13]。

1 光声探测原理[14]

气体分子吸收特定波长的入射光后,将从基态跃迁至激发态,一部分处于激发态的分子与处于基态的分子相碰撞,这样气体吸收的光能通过无辐射弛豫过程转变为碰撞分子之间的平移动能,气体温度随之升高。

物质通过这种无辐射弛豫过程把吸收的光能部分地或者全部地转变成热能而使自己得到加热。如果入射光强度调制的频率小于该弛豫过程的弛豫频率,则这光强的调制就会在气体中产生相应的温度调制。根据气体定律,封闭在光声腔内的气体温度调制就会产生与光强调制频率相同的周期性起伏。也就是说,强度时变的光束在气体试样内激发出相应的声波,用传声器便可直接检测该声信号。

气体中的声扰动可用声压来描述,记为undefined,则声压可表示为:

undefined (1)

式中:P和P0分别为总压力和声压的平均值。

上述提到,光声腔内的试样气体吸收调制光能后温度将会升高,从而形成一热功率密度源undefined,该热功率密度源undefined将在腔内激发出声波。假设腔内的试样气体近似为理想气体,则激励的声信号可用下列波动方程来描述:

undefined (2)

式中:ᐁ2为拉普拉斯算子,c为腔内气体的声速,γ=Cp/CV为气体的热容比,Cp、Cv分别为定压摩尔热容和定容摩尔热容。

对上式做傅立叶变换,并结合其它条件最终可导出声信号幅值Aj(ω)与光输入之间的关系,即

undefined

式中:ω为调制光角频率,ωj和p*j(r)分别为简正模式pj的简正频率和复数共轭模式,I(r,ω)为入射光的光强,β为试样的吸收系数,V为光声腔体积,Qj为品质因子。

2 系统设计

整个光声火灾探测系统由激光控制器(LDC3724B)、信号发生器(TFG3050)、吸收路径(自制)、光声腔(自制)、适调放大器(2690A0S4)、前置放大器(2669L)、锁相放大器(7265,Signal Recovery)、数据采集系统(INV303B)以及PC机构成。通过设置合适的工作温度和电流使激光器发出中心波长为1579nm的红外光,并经过调制后进入吸收路径,其调制频率由信号发生器控制,火灾气体产物在吸收路径中进行检测。光声腔内充有纯一氧化碳气体,腔内激发产生的声信号经高灵敏度传声器采集,经过前置放大器、适调放大器、锁相放大器进行信号的滤波放大和频率锁相放大。麦克风出来的信号极其微弱,几乎淹没在背景噪声中,因此为了能够将信号有效地提取出来,系统中使用了锁相放大器。锁相放大器是微弱信号检测技术中的一种重要仪器,它能够精确地测量被淹没在噪声和干扰背景中的微弱信号。

经放大器放大后的信号进入多路信号采集器,最终进入计算机进行数据记录和处理。系统结构示意图如图1所示。

在光声探测系统中,光声腔的设计是最为关键的部件之一,其性能在很大程度上决定了整个系统的分辨率、检测限等探测性能。

综合考虑光声腔的加工和麦克风在腔内的安装,一般选用长方形或圆柱形腔,但长方形光声腔中声波的衰减少要大于圆柱形中声波的衰减,所以本系统中光声腔设计为圆柱形。对于圆柱形光声腔有三种简正模式,用Ppmn表示。当p、m、n中有两个分量为0时,分别对应于为纵向模式(Pp00)、角向模式(P0m0)、径向模式(P00n)。对于纵向模式(例如以1阶P100为例),它可以在较低的谐振频率上发生,腔体体积也比较小,但是它的Q值在三种模式中是最低的,一般为20左右。径向模式(以1阶P001为例)对应的频率和体积虽然比较大,但是它的Q值是三种模式中最高的,最高可达890。角向模式(以1阶P010为例)由于πα10的数值比πα01几乎小一倍,所以对应于同样半径R的腔体,f010比f001也几乎小一倍。但是角向模式的Q数值较低,一般为一百左右。

另外,圆柱形光声腔的长度L大于R,侧面面积远大于端面面积。由于径向声模式的传播垂直于侧面,平行于端面,所以径向模式的粘滞损耗最小,品质因子最大。此外圆柱形光声腔的表面积与体积的比值要小于同体积的矩形光声腔,气体吸附影响小,因此综合考虑以上因素,探测系统采用圆柱形光声腔并使其工作于一阶径向模式,光声腔剖面图见图2所示。

系统中光声腔内部密封有纯一氧化碳气体,在充入一氧化碳之前必须先将内部的空气抽出,此外在实验过程中时还需充入不同浓度的一氧化碳气体,因此我们自制了配气系统。其中主要部件包括真空泵、两个压力表,以及玻璃管若干。整个配气系统框架图如图3所示。

其中TN2920、TPI605分别为两个测量范围不同的压力表,三通阀为玻璃制成。A、B、C、D分别为玻璃阀门,气体通过C、D阀门所在端口进入光声腔。

3 实验及其结果

在光声探测系统中存在环境噪声、电噪声、气体热起伏噪声以及由于透光窗口及腔体壁面吸收调制光能而引起的背景噪声,这些噪声叠加在一起使得即使测量路径中没有一氧化碳气体系统也将产生本底信号。为有效抑制背景噪声产生的干扰,必须将此干扰信号去除,测得的系统本底信号见图4所示。

图5给出了光声信号与缓冲气体压强之间的关系。从图中可以看出,腔内压强越高则光声信号越强,且基本为线性关系,其拟合方程为y=2239.92643-0.00997x。因为当光束穿过光声腔时,CO分子将吸收光能使其能量增强,随后它通过两个途径释放吸收到的光能。一是辐射跃迁过程,二是由于粒子间碰撞导致的无辐射跃迁过程,两过程相互竞争。当气压很低时,以辐射跃迁为主,此时信号较弱。随着缓冲气压的升高,气体总分子数密度增大,分子间碰撞加剧,此时主要以碰撞无辐射跃迁的方式为主,受激CO分子通过碰撞弛豫将更多的激发能转变为分子热运动的能量,致使信号强度随缓冲气压的增大而增强。

但可以预见,当腔内压强增加到某一数值时,光声信号将不再增加,即出现饱和现象。这是因为在缓冲气压不断升高的过程中,CO 分子数密度是保持不变的,在激光能量一定的条件下,受激分子数不变,通过碰撞过程可转移的激发能有一限度,所以当腔内气体压强增加到某一数值时光声信号将出现饱和状态。实验所用的压强约为一个大气压。

为验证光声火灾探测系统对火灾响应的实际性能,我们对该系统进行了实验测试。实验前首先将光声腔固定,并将激光通过光纤从激光器引出,光纤接头通过支架固定在光学平台上。接着打开真空压力计并开启真空泵将光声腔抽成真空状态(压力可由压力计读出),接着打开CO气瓶,将纯度为99.99%的CO气体通入光声腔,当压力计读数为一个大气压时关闭气瓶,然后关闭光声腔上的气阀,并将管内剩余CO抽走。待充气完毕后调整信号发生器的频率同时调整锁相放大器的满量程灵敏度、时间常数等参数使其对应最大的光声输出。将锁相放大器、光电接收器的输出分别接至数据采集仪器的第一、第二路输入端,同时运行DASP2003系统软件,并设置合适的采样通道和采样频率。待所有电子仪器的参数设置在最佳状态并稳定30分钟后开始实验。为了保证使光束从光声腔以及吸收路径的中心通过,使用红外光之前先用红光校准光路,待光路校准完毕后再将光纤换至激光控制器的红外输出端口。

我们分别对一组明火实验和一组阴燃火实验进行了火灾模拟测量。实验时将实验材料在自制的烟箱内点燃,然后开启前端风扇,使燃烧产物通过PVC抽样管道进入吸收路径。实验中开启了采集系统固定窗口平滑处理功能和频域平均功能以消除随机噪声带来的影响。

阴燃火实验采用棉绳作为实验材料,实验时将棉绳固定在直径10cm、高14cm的金属圆形支架上。从棉绳下端点火,点燃后立即熄灭火焰,使其保持连续冒烟。系统测量得到的光声信号、CO浓度分别见图6(a)和图6(b)所示。从图中可以看出随着实验的不断进行,光声信号由于CO气体的特征吸收和烟雾颗粒的消光而不断减小,而对应的CO浓度在不断增大,其浓度在t=117s达到了最大值77ppm。

明火实验采用聚氨酯泡沫作为材料。将一块25cm×25cm×3cm尺寸、比重约40 kg/m3的无阻燃剂软聚氨酯泡沫塑料放置在燃烧盘中,然后在直径为5cm的小盘中装入5 mL甲基化酒精并将其垫在聚氨酯的一角上,点火时在该角点燃。光声信号、CO浓度分别见图7(a)、 图7(b)所示。从图中可以看出实验开始后CO浓度一直保持增长趋势,其中在t=115s达到了最大值42ppm。

4 结论

利用光声光谱原理设计了一套火灾气体探测系统,并对棉绳阴燃和聚氨酯泡沫燃烧时产生的CO气体浓度进行了测量。结果表明该系统可以很好地对火灾产物中的一氧化碳浓度进行测量,通过合理设置阈值便可实现火灾报警。基于光声光谱技术灵敏度好、选择性好、动态检测范围大等优点,当更换激光光源后还可以将其应用于煤矿瓦斯及环境污染气体检测等领域。

美军预警探测系统组成概述 篇2

在未来信息化战争中，预警探测系统是指利用陆、海、空、天等各种探测器探测外层空间目标，大气层目标、水面和水下目标、陆上目标等信息，利用高效的信息融合技术，统一规划分发信息资源，使各军各兵种能及时共享和获取完整精确的情报信息。目前，美军在军事电子的技术水平和装备部署方面遥遥领先，代表着世界先进水平，了解及跟踪美军预警探测系统的特点及发展方向，对我军信息化建设具有一定指导意义。

2 预警探测系统在现代战争中的作用

预警探测系统无论是在战争时期还是在和平时期，都坚持着全天候昼夜值班状态，在尽可能远的警戒距离内，实现对目标的精确定位，参数测定和目标性质识别，为军事指挥系统提供更多的预警时间，以防敌人的突然袭击。美国的战略预警系统可以在1分钟内判明敌方发射的弹道导弹性质，3分钟中内报告发射点和弹着点坐标以及飞行轨迹，对战役战术导弹可以提供5～6分钟的预警时间，对战略导弹可以提供20～30分钟的预警时间，对战略轰炸机可以提供30～60分钟的预警时间，时间就是生命，它可以决定一场战争的胜负，预警探测系统的早期预警能力直接影响着战争的走向。

3 预警探测系统的能力[1]

预警探测系统具有传感器网，指挥控制系统和通信系统的综合能力，有别于单个传感器的系统，因此预警探测系统的综合能力可以表述如下：

◇探测各种目标的能力，包括地面目标，水面目标，水下目标，空中目标和外空目标等。

◇测量目标的位置，速度，轨迹等运动参数。

◇识别目标的属性，包括国籍、类型和真假战斗部等。

◇对运动有规律的目标，进行轨迹预测和发射及落点的预测等。

◇对敌方部署的多个目标和对象进行态势评估。

◇对敌方部署进行威胁评估。

4 美军预警探测系统的组成

4.1 外层空间目标的预警探测系统

外层空间目标是指大气层以上的各种目标，包括空间轨道目标、战略弹道导弹和战役、战术导弹目标。

4.1.1 空间轨道目标的监视和探测系统

空间目标监视属于空间作战的内容之一，随着各种类型和用途的军事卫星不断增加，对空间情报的收集要求也越来越高。在争夺“制天权”过程中，空间目标监视系统是不可缺少的组成部分。美国在1996年发射了目前唯一在轨运行的空间目标监视系统“天基可视传感器”（SB V）, SB V的轨道位置使它能够实现全球覆盖，能同时探测多个目标。目前正在研发的“天基空间监视系统”（SBSS）由4颗低轨卫星组成，采用光电传感器监视跟踪卫星和空间碎片，预计2014年形成完整的SBSS系统。

4.1.2 弹道导弹防御系统的预警探测

弹道导弹防御系统（BMD）是一个庞大的体系，组成系统的装备包括各种探测器/传感器、拦截器和指挥控制通信系统。从部署的空间分有地基、天基、海基等；从拦截方式分，包括助推段拦截、中段拦截和末段拦截等。

4.1.2. 1 弹道导弹防御之天基预警卫星探测系统

天基预警卫星包括“国防支援计划 (DS P) 早期预警卫星”和天基红外系统（SBIRS）。国防支援计划（DSP）早期预警卫星主要用于助推段防御。为了获得尽可能多的预警时间，通常需要采用高轨道卫星。目前美国的DSP预警卫星定位在地球赤道同步轨道上，可观察到除两极部分区域外的整个地球表面。美国第三代DSP卫星可对地球表面大部分地域进行扫描, 能探测导弹助推段和温度较低的巡航导弹及喷气飞机目标的尾焰。卫星每隔8-13秒就可对地球三分之一的表面重复扫描一次, 通过连续扫描即可测出弹道导弹的位置和移动方向, 地面站若能同时接收2颗以上卫星在不同位置对同一目标的红外数据, 则可得到该目标的立体红外影像, 利用三角计算及统计分析可进行测距, 精确估算导弹飞行方向及弹着点等信息。目前轨道上至少有4颗第三代DSP卫星在运行, 大部分情况下对任一地点发射的导弹都可同时对2颗卫星进行探测以形成立体影像。

天基红外系统（SBIRS）可用于助推段、中段和末段防御。SBIRS是美国正在研制和准备部署的新一代预警卫星系统。它由高轨道（SBIRS-high）和低轨道（SBIRS-low）两大部分组成。

高轨道部分由4颗地球同步轨道卫星（GEO）和2颗高椭圆轨道卫星（HEO）以及1颗同步备份卫星组成。该系统采用双探测器体制，每颗卫星上有两台探测器，一台高速扫描型探测器，一台凝视型探测器。工作时先由扫描探测器用一维线阵列对地表进行广域扫描，探测到导弹尾焰信号后把信号传递给凝视探测器，凝视探测器用精确的二维阵列跟踪导弹。该系统扫描速度和灵敏度比DSP系统高10倍，在10～20秒内，即可将预警信息传递给地面指控中心（DSP需要40～50秒）。HEO的配置主要用来覆盖两极的盲区，以弥补静止的赤道GEO不能探测地球北纬81度以北地区的缺陷。

低轨道部分（LEO）卫星上也有多种探测器，包括用于探测助推段导弹的广角短波红外探测器和一台窄视场凝视型用来跟踪飞行中段导弹的中、长波红外线以及可见光探测器。当任一颗卫星探测到目标后，会立即通过链路联系附近的卫星共同跟踪同一目标以获得立体影像。LEO卫星还可探测助推器脱离后温度较低的弹体与运载弹头的大气层重返载具，具有从导弹发射起，弹道中段一直到重返大气层的弹道全程探测与跟踪能力，LEO卫星还具备分辨重返大气层载具与诱饵以及引导反弹道导弹拦截器的能力，使导弹的早期拦截成为可能。

4.1.2. 2 弹道导弹防御之陆基预警雷达系统

陆基预警雷达系统包括BMEWS、潜射弹道导弹预警系统（FPS-15）、地基X波段雷达（GBX）和海基X波段雷达（S B X）、陆基末段防御系统（THAAD-GBR、PAC-3 MPQ-5 3）等，主要用于中段防御和末段防御。

弹道导弹早期预警系统（BMEWS），用于中段防御，美国目前已经将3个BMEWS站老旧的雷达以FPS-120、FPS-123 (V7）、FPS-126三座新的大型有源相控阵雷达替代，新雷达计算机的运算速度、探测距离、覆盖范围相比旧雷达都有很大幅度提升。

地基X波段雷达和海基X波段雷达，用于引导大气层外拦截弹的精确跟踪。这两种X波段雷达都是精度极高的靶场跟踪雷达，用来精确跟踪目标，引导大气层外的拦截弹碰撞来袭弹头以达到动能杀伤的效果。

4.1.2. 3 弹道导弹防御之海基预警探测系统

海基弹道导弹防御及其预警探测系统，用于助推段和中段防御，该系统以海军“宙斯盾”（AEGIS）军舰上现有的设备为基础，主要由SPY-1雷达、“宙斯盾”作战系统，标准-3 (SM-3）动能拦截弹以及垂直发射系统等部分组成。

4.1.2. 4 弹道导弹防御之末段防御系统

末段高空区域防御（THAAD），主要用来防御战术弹道导弹，它由地基X波段雷达（THAAD-GBR）、导弹发射车、拦截弹以及作战管理/指挥控制通信（BM/C3）系统组成。该系统具有拦截距离远，拦截高度高，防御区域大，杀伤能力强等特点，能够对来袭的弹道导弹进行两次拦截射击。

末段中低层防御-爱国者（PAC-3-3）系统，该导弹系统与THAAD系统配套使用，主要由导弹、发射车、多功能相控阵雷达（AN/MPQ-53）等组成。“爱国者”PAC-3-3最大改进之处在于采用新型的PAC-3导弹，即增程拦截弹（ER-IR）。通过直接撞击的方式来摧毁位于大气层内的目标。导弹装有自动捕捉与跟踪目标的雷达寻的头以及相应的机动控制，姿态控制系统，能保证弹头准确地命中目标。

4.2 空中威胁目标的预警探测系统

空中威胁目标是指战略轰炸机、战斗机、隐身飞机、巡航导弹、反舰导弹、空地导弹、反辐射导弹、武装直升机等。当前世界各国面临的主要威胁是如何面对隐身飞机和巡航导弹的高、低空突防, 因此这里着重讲述隐身飞机和巡航导弹的预警探测方法。

4.2.1 低空巡航导弹的预警探测系统

对抗巡航导弹和低空飞机突防的最好办法是用短波超视距雷达作远距离大面积防御，探测到目标后使用机载预警机指挥航空兵进行拦截。

为了防御战略轰炸机、空地导弹和巡航导弹远距离空袭，美国空军计划使用12部后向散射超视距雷达（OTH-B FPS-118）形成12个预警扇面以覆盖北美东、南、西3个方向。北极地区准备用13部FPS-117雷达和39部无人值守雷达组成北方预警系统（NWS）。

在超视距雷达发现目标后，派遣空中预警机到目标区域搜索、跟踪目标，并引导航空兵进行拦截。空中预警机由于它居高临下，可以增大发现低空、超低空目标的距离。美军配置了E-3A/B/C三种型号的预警机，其关键设备是S波段的APY-1/2高频脉冲多普勒雷达，该雷达具有良好的反地物杂波性能，具有良好的俯视能力，探测距离远，抗干扰性能强。

4.2.2 隐身飞机的预警探测系统

隐身飞机的特点是雷达反射面积（RCS）非常小，其主要特点是难以发现和跟踪，反隐身探测大致可分为常规的探测方法和非常规的探测方法。常规的探测方法主要指雷达探测，非常规探测包括无源微波探测、光学探测和声学探测等[2]。目前世界各国正运用多种手段和技术途径来解决这个问题，但迄今为止包括美国在内，还没有形成有效的装备和系统。下面仅列举一些探测隐身飞机比较有效的途径。

◇先进的超视距雷达（AOTHR)

◇多基地雷达

◇采用较低频率的雷达

◇采用频率较低的特高频（UHF）预警机雷达

◇相控阵雷达

◇机载火控雷达

4.3 陆上纵深目标的预警探测系统

美军提出“空地一体战”理论后，认识到需要加速研制和部署一批高性能的战术侦察及监视系统，对敌方纵深形成立体覆盖。为此联合监视和目标攻击雷达系统（JSTARS）代号E-8A应运而生。

E-8 A是一种全天候能远距离发现、分类、跟踪大量地面目标，提供实时目标位置及战场态势，并与飞机、远程炮、导弹等纵深武器组成系统的装备。此外，E-8A还能提供打击后的实时战果情报。该系统的关键技术是在地杂波中发现慢速目标，以及在远距离（100km～200km）实时分辨活动和静止的坦克、车辆等。

4.4 海上目标的预警探测系统

海洋监视系统不是单一的卫星系统，而是由电子侦察，照相侦察，雷达成像侦察和海洋环境侦察等多种卫星及雷达组成的综合应用系统，目前只有美国和俄罗斯装备了该系统。

美国“白云”海洋电子侦察卫星

第一代“白云”卫星采用1颗主卫星3颗辅卫星的星座形式，采用被动式雷达平衡测量仪对目标实施定位，可有效跟踪潜航的核潜艇。第二代卫星仍采用一主三副的卫星簇模式，但主卫星已采用KH卫星和“长曲棍球”卫星，可对动态目标快速定位，美国目前正着力发展第三代卫星系统[2]。

4.4.1 海洋环境观察卫星

因为海流、海浪对舰船的航行影响很大，因此在海洋监视系统中，必须要配置海洋环境监视卫星，利用这种卫星观测海浪高度、海流强度、海面风速、海水温度以及浅海危险物等，所探测的海洋环境作为动态舰船目标的活动背景，可以准确定位海上活动情况，对确定海洋监视目标的特性关系重大。

4.4.2 航母编队预警系统

美军航母编队的预警探测系统是指航母载预警机E-2C、航母载远程三坐标雷达SPS-48E和宙斯盾AEGIS系统的SPY-1相控阵雷达。美军航母载预警机（E-2C）可向整个编队所有防空和反舰武器系统提供预警和目标指示，并对防区和防区外的留空飞机实施指挥控制。美军航母装备的远程三坐标雷达（SPS-48E）可以为航母编队提供早期预警，具有强大的目标搜索能力，并提供三坐标数据，其他舰艇在14秒内便可发射导弹迎击，将早期预警时间提前至5～6分钟。

4.5 水下目标的预警探测系统

水下目标探测以水声探测为主，有光、电、磁、温等多种探测方式，探测的主要对象是潜艇，水雷等水下目标。现代声纳已经与运载平台的其他探测设备，武器发射系统和通信导航设备组成舰艇反潜作战系统和机载反潜作战系统，提高了对水中目标搜索，识别，定位，攻击的反应能力。现在世界上性能较好的声纳作战系统有美国洛杉矶核潜艇使用的BSY-1作战系统、阿利·伯克级导弹驱逐舰等水面舰艇使用的SQQ-89反潜作战系统等。目前世界各国都在不断发展新一代的声纳技术，代表性的有：

◇美国S-3超大型声纳

◇英国皇家海军的新型2087低频主/被动声纳

◇美国海军合成孔径声纳

◇美国海军改进型猎雷声纳

◇光纤声音换能器

4.6 陆基超视距预警探测系统

4.6.1 地波超视距雷达

地波超视距雷达工作原理是利用短波地球表面的绕射作用来传播高频能量，可探测常规视距雷达无法探测的地平线以下目标。由于陆地和淡水的电导率太低，所以传播的能量衰减很大，只有沿海传输时衰减较小。可作为岸基中、远程警戒雷达，探测距离可达300～400公里。

4.6.2 天波超视距雷达

天波超视距（OTH）雷达的工作原理是利用电离层对短波的折射，不同于常规雷达，OTH雷达在探测地平线以下低空、隐身目标和远距离海上目标方面，效果非常好。同时OTH雷达还具有监视面积大，成本低，预警时间长等特点，因此包括美国在内世界各国都在持续研究，期待有新的技术突破。

5 总结

本文简要描述了美军的预警探测系统装备及技术特点，由于篇幅有限，只对弹道导弹防御做了相对详细的描述。预警探测系统是一个非常庞大的系统工程，其重要性不言而喻，吸收和借鉴美军系统建设的经验和技术，对我军预警探测系统的发展会有很大的促进作用。

摘要：本文对美军预警探测系统组成进行了一定程度的描述, 按照不同种类目标 (外层空间目标、空中威胁目标、陆上目标、海上目标、水下目标) 的预警探测机制, 分别介绍了美军的相应装备情况以及技术特点, 对我军构建预警探测系统具有一定的参考价值。

关键词：预警探测系统,预警卫星,弹道导弹,“宙斯盾”,超视距雷达

参考文献

[1]董志鹏, 刘兴.综合电子信息系统-信息化战争的中流砥柱.国防工业出版社.

可燃气体探测预警系统 篇3

关键词：FTA,最小割集,定性分析,定量分析,底事件重要度

0 引言

在电力、电子、仪器仪表、石油化工以及航天航空等领域,如何消除隐患、控制系统安全性和可靠性备受关注[1]。为保证系统安全运行,就要找出导致控制系统发生故障的全部因素,然后逐步分析,得出结论,消除隐患,才可进行有效预防以减少事故发生[2]。

制药厂生产车间使用工业气体探测报警器监测可燃气体和有毒气体浓度是否在规定的安全范围之内,如果超出范围,主控室报警控制器便会报警[3,4]。若控制系统失灵就会带来严重后果,对工人生命造成重大危害,对企业财产造成重大损失。本文通过故障树分析法对控制系统以往发生的故障进行分析,以工业气体探测报警系统为建模对象,总结出有效的预防方法,以提高可燃气体检测报警器的可靠性[5]。

1 FTA

1.1 FTA简介

故障树分析法(FTA)是一种自顶向下识别系统故障的方法,由贝尔实验室的H A Watson于1961年提出,作为研究控制系统发生某一故障时建立的一种倒立树状逻辑因果关系图。通过使用算术逻辑推理,对控制系统出现故障的各种因素层层分析,找出最小割集,确定控制系统发生故障的各种因素组合方式以及发生概率,计算出控制系统发生此故障的概率,提供预防方式,以提高控制系统的可靠性[6,7]。

1.2 FTA特点

与其它模型相比,故障树模型能更好地分析和预防控制系统故障,其有两种分析方法:①定性分析:找出顶事件所有可能发生的故障模式,求出故障所有的最小割集(MCS):②定量分析:由控制系统各部分失效的概率求出系统失效概率,求出事件的结构重要度、概率重要度和关键重要度,最终根据所求底事件重要度大小排序,给出最佳故障诊断和维修顺序。

1.3 故障树图符号

故障树中使用的每一种符号都有特殊含义,见图1。①矩形符号表示事件或最终故障即顶上事件;②或门符号表示有两种及以上事件中任何一种事件发生都有效;③与门符号表示两种及以上事件共同发生时才有效;④圆形符号表示基本故障也就是在故障树图中的底层事件。

1.4 故障树分析法建模步骤

步骤如下:①熟悉所分析的控制系统,详细了解控制系统各部分参数;②对控制系统出现过的各种故障进行调查并统计分析;③确定故障树模型的最上层事件也就是顶上事件;④调查与顶上事件所有相关的原因事件;⑤通过软件绘制事故树图形;⑥通过对事故树的定性分析,找出一切可能引起顶上事件发生的基本事件组合,求出最小割集。通过最小割集的定性比较对故障树底层事件进行重要度排序;⑦通过对事故树的定量分析,运用基本事件发生概率求出顶上事件发生的概率以及底事件重要度,判别底事件对顶上事件的影响程度并进行排序;⑧由定性和定量分析结果,制定有效的预防措施以及改进措施。

2 工业气体探测报警系统

工业气体探测报警系统由气体报警控制器和气体探测器以及通信部分组成。气体报警控制器放置于值班室,主要对各监测点进行控制。可燃气体及有毒气体探测器安装于气体易泄漏地点。气体探测器的核心部件为内置气体传感器,可有效检测出可燃气体以及有毒气体浓度,可将检测到的气体浓度转换成电信号,通过线缆传输到报警控制器。可燃气体和有毒气体浓度越高,电信号越强,当气体浓度达到或超过气体报警控制器设置的报警点时,气体报警控制器发出报警信号,并启动电磁阀、排气扇等外联设备,自动排除隐患,气体探测器和气体报警控制器之间的通信采用抗扰能力强的RS485[8]。

3 FTA应用

通过对工业探测报警系统发生的相关事故记录以及故障总结,确定控制系统报警失效为顶上事件。造成顶上事件发生的原因主要是气体报警控制器、气体探测器以及通信部分中的某一部分或者全部发生故障。上述3种原因作为中间事件,依次对造成中间事件的原因进行排列,组成基本事件,包括设备采集故障、电源故障、数据转换故障等,建立故障树图,见图2。

3.1 故障树定性分析

故障树定性分析主要是找出一切可能引起顶上事件的基本事件,这些基本事件的集合定义为割集。在割集集合中,任何一个可能引起顶上事件必然发生的基本事件称为最小割集。最小割集中只要有一个不发生,则顶上事件就不会发生。

由图2可知故障树基本事件由X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X14组成,中间事件由M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8组成。顶上事件用T表示。通过故障树模型中的上行法自上而下依次写出逻辑公式,求解出故障树的最小割集。

最终得到12个最小割集:

最小割集结构度函数:

假如在故障树中有n个最小割集,记为N=(N1,N2,N3,N4,N5,.......Nn)。在任意时间t,故障树的结构度函数可表示为:

最小割集的定性比较规则:①在故障树图中,阶数越低的最小割集底事件比阶数高的最小割集底事件重要;②阶数越小的最小割集在故障树中越重要;③在同一阶数的最小割集中,出现故障次数多的底事件重要。

通过使用最小割集定性比较规则和建立结构度函数,对故障树底层事件进行重要度排序,重要度大小顺序为:

通过定性分析结果可知,在工业气体探测报警系统所出现的所有故障中,数据采集设备出现故障导致整个系统的安全性和可靠性很低。当现场的可燃气体和有毒气体浓度超标时,传感器不能采集数据,不能通过通信设备传送到主控室的气体报警控制器中,控制器不报警,工作人员误以为现场气体浓度在正常范围内。其次是数据转换故障:当采集到的数据不能转换成数字信号或电流电压信号时,控制系统也会失效。通信失效会使控制系统的安全性和可靠性降低。气体探测器和气体报警器供电电源出现故障会导致控制系统失效,若工作人员发现不及时则可能发生重大事故;气体报警控制器芯片内存因长期记录数据而造成存储空间不足,会使控制系统维持在一个正常或报警状态,造成工作人员误解;只有长期在极端恶劣的天气状况下,温度设备才会出现一些小故障,但温度也是必不可少的底事件[9]。

3.2 故障树定量分析

定量分析主要是通过底事件发生概率来计算顶上事件发生概率,通过重要度计算判别底事件对顶上事件的影响程度进行排序。

由于气体探测报警系统的安全性和可靠性程度比较高,各部分元件的失效概率远远小于0.1,因此可认为两个以及两个以上故障不会同时发生,相互之间为互斥事件。假设任意一个底事件Xi发生的概率为0.001,顶上事件的概率为Pr(T),则:

最小割集失效概率分别为:{X1,X2}={X8,X9}=0.001×0.001=0.000001

3.3 底事件重要度计算

重要度是指系统中各个部件发生故障时对系统发生概率的贡献程度,重要度分为概率重要度和结构重要度。

(1)概率重要度指底事件发生的概率引起顶上事件发生概率的变化程度。顶上概率为Pr(T),故障树有n个底事件,每个底事件发生的概率为Fi,i=1,2,……,n。则第i个底事件概率重要度定义为。

工业气体探测报警系统出现故障的14个底事件发生概率以及顶上事件发生概率得到的底事件概率重要度数据见表1。

通过故障树的定量分析得出顶上事件发生的概率,根据计算得到底事件的概率重要度和结构重要度,判断哪些故障发生对系统的可靠性影响更大。

4 结语

通过对工业气体探测报警系统顶上事件建立事故树进行定性分析和定量分析,为提高系统可靠性,对气体探测器中的数据采集设备和气体报警控制器中的数据转换接口进行经常性测试,以此确定是否正常工作[10]。对气体探测器和气体报警控制器之间的通信部分进行周期性检测,确保不受外界环境影响。整个系统供电设置两个备用供电系统,防备系统断电影响设备运行。为确保设备不受外界温度影响,可在设备放置地点安装空调来调节温度。

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[9]史艺.通信仪器仪表理论与实践[M].武汉:武汉大学出版社,2012.

可燃气体探测预警系统 篇4

目前, 高速公路隧道事故的预防已引起相关部门及研究机构的高度重视, 也做了相关研究。如:李洪涛在《浅谈高速公路隧道火灾事故预防和应急救援》中介绍了火灾的特点以及相关指导措施;沈洋在《高速公路隧道火灾事故应急施救研究》中详细介绍了火灾的原因、特征以及应急措施;蔡黎在《三峡库区隧道火灾语音预警研究》中介绍了基于DDE的火灾语音预警系统。但现有的火灾预警方式及措施还比较单一, 尚不能满足实际火灾预警及救援的需要。笔者提出一种公路隧道火灾有毒气体预警急救监控系统, 使火灾和有毒气体事故的预警、救援、现场处置流程一体化, 结合现场预警救援和远程预警救援、视觉预警与语音预警, 使事故损失降到最低。

1 系统的设计

结合现场设备以及系统所需的功能, 高速公路隧道火灾有毒气体快速预警救援系统的组成, 如图1所示。

(1) 传感器群。传感器群包括气体传感器、烟雾传感器和双波长火焰探测器。根据火灾现场和汽车尾气的成分, 气体传感器包括CO传感器、CO2传感器、NO传感器、NO2传感器、HCN传感器。由于火灾现场会消耗大量氧气, 所以还需O2传感器监测氧气体积分数。结合公路隧道的特点, 这些传感器和探测器除了应具有良好的灵敏度之外, 还应有防潮、防热、防腐蚀的特性。

(2) 上位机控制系统。上位机控制系统由微处理器和PLC组成。微处理器能提供远程和实时通信以及控制监控画面播放能力;PLC能接收传感器发送的信号 (模拟信号、开关信号) 对现场的设备进行有序的启停控制, 并且能够与微处理器进行通信。

(3) 通信系统。通信系统主要由有线通信 (Internet网) 和无线通信 (GSM网络) 组成, 连接急救中心、消防系统、交通监管系统来传输数据库中的数据以及手机提醒相关责任人灾害的发生。

(4) 现场设备。现场设备主要包括备用电源、泡沫喷淋器、水雾喷淋器射流风机以及显示屏和警示装置 (喇叭、警示灯) 。现场设备用于当灾害发生时, 警示人员灾害发生以及现场有效控制灾害发展。

(5) 视频监控系统。视频监控实时监控隧道内的工作状况, 并且将数据存放至数据库。当灾害发生时, 该数据库中的数据可以被传输至相关救援部门, 作为救援判断和依据之一。

2 系统的工作原理

当隧道发生事故时, 双波长火焰探测器能够探测到明火并产生开关信号, 烟雾传感器检测到达到阈值的烟雾时会产生开关信号, 气体传感器当检测到高于预警体积分数且在不同区间的体积分数时会产生相对应的模拟信号, 这些信号作为输入信号进入PLC、微处理器以及各数据库;PLC控制现场设备有序启动实施现场救援, 保证灾害损失的最小化;微处理器进行远程预警通信, 通过Internet网络启动各部门的控制室警报, 并且同时启动GSM传输短信通知负责人, 各部门控制室及负责人提取各数据库数据作为救援的参考和依据, 实施应急预案。

本系统将预警救援分为现场预警救援和远程预警救援, 针对灾害中主要有毒气体及氧气的体积分数对人体的伤害, 本系统划分三级预警级别, 一级预警主要执行现场预警救援, 二级及三级预警则现场预警救援与远程预警救援相结合。对于事故现场的预警级别的判定可根据传感器的自动判定, 也可与人工判定相结合。各预警级别的体积分数范围如表1所示。

高速公路隧道火灾有毒气体预警救援自动监测系统处理流程, 如图2所示。本系统按传感器的工作状态分为两类, 即无火灾有毒气体超出一级预警范围和有火灾 (明火或闷烧) 同时有毒气体超出一级预警范围。

2.1 无火灾、有毒气体超出预警范围

一般在几公里或是十多公里的狭窄隧道内发生交通拥堵, 或者由于事故汽车抛锚, 将会导致隧道内交通瘫痪, 此时车辆排出的尾气在隧道内很难及时排除, 而当有毒气体积累一定程度后, 一方面会对人体产生伤害, 另一方面产生伤害后会加大引发交通事故的几率。低体积分数的有毒气体对人体产生伤害是一个缓慢的过程, 人们很难及时觉察到, 所以当有毒气体或者氧气超出一级预警范围时, 将会执行一级预警救援流程。

(1) 一级预警。一级预警又称为现场预警救援, 主要通过闪烁警示灯, 隧道入口显示屏显示相关有毒气体的体积分数值及危害以及语音播报提醒司机注意灾害发生, 开启射流风机降低现场有毒气体体积分数, 增加含氧量实现现场预警救援;触发交管部门控制室警报, 同时开启GSM手机通知交管部门负责人, 控制室监控主机读取各数据库数据, 监测事故发展状况。

(2) 二级预警。此时, 乘客的生命安全及受到的危害在一级预警的基础上更加注重远程预警, 交通部门可通过交通广播或路边大屏幕发布显示灾害发生的地点等信息, 请准备驶向该隧道方向的车辆绕行, 保证灾害周边道路畅通, 隧道内的车辆能及时驶离危险区域;启动交管部门和急救中心警报, 同时开启GSM手机通知120急救部门负责人, 120急救中心的控制主机读取各数据库数据, 经人工确认, 可根据事故地点的距离以及路况等实际情况, 决定是否立即执行紧急预案。

(3) 三级预警。当达到三级预警的时候, 已有部分人员产生严重伤害, 甚至昏迷失去自主意识。因此, 此时的首要任务是及时高效地救治受灾和被困群众, 各部门应立即执行应急预案。

2.2 有火灾发生且有毒气体超出一级预警范围

火灾时, 除了会产生CO、NO、NO2、CO2外, 还会产生HCN。当气体累积到一定程度时, 就会造成一定的事故。检测到有火源产生后, 激发交管部门和该地区的消防中心控制室的警报, 将气体传感器的体积分数值以及现场视频监控系统的数据传送控制中心。交管和消防部门通过视频查看现场状况确定以下两种情况:

(1) 火势很微小且火源集中或闷烧时, 可利用现场的泡沫灭火器进行灭火。同时, 现场开启火灾警示灯, 并发出语音播报, 提醒人们注意火情, 避免后续车辆在不知情的情况下, 造成心理恐慌。

(2) 火势很大时必定会产生大量的有毒气体和烟雾, 当火焰探测器、气体传感器同时达到阈值时, 火焰探测器所输出信号对风机的控制具有最高的优先级, 只有当火焰探测器不产生常开信号时, 风机才接受气体传感器输出信号的控制, 因为空气流通速度快, 会形成对流效应, 使得火势更大。此时, 应及时通过上位控制系统切断电源、启动应急电源、强制播放现场受灾画面、启动120急救中心警报, 同时开启GSM手机通知120急救部门负责人120急救中心的控制主机读取各数据库数据, 立即执行应急预案。有明火的情况之下, 开启动泡沫灭火系统灭火, 或被扑灭后, 开启喷淋系统对可燃物进行降温, 防止火势扩大并自动启动射流风机和排烟机。此时, 对于有毒气体的预警救援和火灾预警救援同时进行。

3 系统的特点

此系统可有效监测火灾和有毒气体, 还有以下特点:

(1) 设立预警救援级别不仅便于设计流程方便自动化控制, 更优化有限资源配置, 降低救援成本;

(2) 自动级别判断和人工级别判断相结合增加系统灵活性;

(3) GSM手机报警, 在外部线路损坏的情况下, 确保该系统正常工作, 保证了该系统的可靠性和安全性;

(4) 数据库的运用可以保存各传感器以及探测器的历史数据, 可以作为传感器自检的依据, 也可以作为历史数据进行比对, 使预警准确率更高。

4 结论

针对已有研究的不足, 设计了公路隧道火灾有毒气体快速预警救援系统, 通过现场预警救援与远程预警救援以及分级预警救援, 提升救援速度及效率, 有效降低救援成本。经试验证明, 该系统具有良好的适用性。该系统的应用可进一步保证高速公路隧道的安全运行, 并进一步提高救援的效率、可靠性及安全性, 大大降低灾害事故的损失。

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